分層采油井下油嘴直徑的設計方法

付亞榮 李仰民 馬永忠 夏健 楊中峰 王達

1.中國石油華北油田公司第五采油廠；2.中國石油華北油田公司開發事業部

分層采油井下油嘴直徑的設計方法

付亞榮1李仰民1馬永忠1夏健2楊中峰1王達1

1.中國石油華北油田公司第五采油廠；2.中國石油華北油田公司開發事業部

為有效控制儲層物性不同的2套含油系各油層產液量，達到抑制高含水油層、釋放低含水油層的目的，借鑒氣井井下節流器和注水井分層注水水嘴的設計方法及工作原理，提出了應用井下油嘴控制各油層產液量的技術思路。依據不同油層滲透率、有效厚度、地層壓力的差別建立數學模型，首先按達西定律計算不同油層的產液量，然后按不同產液量井下油嘴的過流面積計算其前后壓差，再通過控制2個油層的合理生產壓差，得到高滲層、低滲層的能量守恒方程，從而優化分層采油井下油嘴的直徑。現場應用12口分層采油井，單井平均日增油3.6 t，含水平均下降22.1百分點，為分層采油提供了新的技術手段。

分層采油；井下油嘴；參數設計

平面上呈窄條狀分布、縱向上存在多套含油層系的油藏，沒有統一的油水界面［1］，且層間壓力大，層間干擾矛盾突出，逐層上返籠統合采是常規的開發方式，但隨著射開油層的增多，層間矛盾越來越突出［2］。分層采油工藝是一種有效解決籠統合采油井層間干擾矛盾的有效方法。郭偉等［3］在封隔器上下將空心抽油泵和普通管式泵應用于兩層分采同步抽油；王彧等［4］在勝利油田3口油井上成功應用了分采混出工藝管柱和分采分出工藝管柱；長慶油田形成了以防氣式分采泵為主的兩層分采模式［5］；郭穎［6］提出的采出井6段以上細分層產量控制工藝，可實現直井2 m小卡距細分配產；橋式分采器采用“產層單向過流進入油管、油管內層間產液橋式多級過流、封隔器層間封隔、普通抽油泵舉升”［7］，在斜井和叢式井成功實現了“一機、一桿、一泵”條件下油井三層分采；國內一些油田嘗試應用的油井智能分層開采與測試技術［8］，雖然能實現油井的分層測試、分層開采、堵水調層及多層合采，但很難控制各油層的產液量。筆者借鑒氣井井下節流器［9］和注水井分層注水水嘴［10］的設計及工作原理，從不同油層產液量、油嘴壓差、地層生產壓差出發，優化分層采油控制器油嘴直徑，以達到控水增油的目的。

1 分層采油不同油層產液量

Liquid production rate of each layer involved in separate layer production

假設所建模油藏分為2個油層，其滲透率、有效厚度、產液量都是變化的［11］。分層采油控制器安裝在兩個封隔器之間（見圖1），帶有封隔器的管柱坐封前或因自重存在伸長量，坐封時封隔器受井液浮力和管柱內外井液的周向應力、徑向應力和軸向應力；管柱上封隔器軸向應力偏量為0時［12］，封隔器穩定坐封，兩封隔器之間分層采油控制器的軸向應力偏量也為0，處于穩定狀態。

圖1 分層采油工藝管柱示意圖Fig. 1 Sketch of pipe string for separate layer production

存在滲透率差異的非均質油藏，縱向上兩個油層之間存在一定的生產壓差， 高滲層地層原油通過分層采油控制器上的油嘴從油套環空進入分層采油控制器中的過油通道，然后與低滲油層原油混合，被抽油泵抽出地面。油嘴前后存在一定的壓差，高滲非達西滲流比達西滲流要多消耗一定的壓力，分層采油依據達西定律的原理進行生產［13］，總的產液量Q為2個油層產液量之和，即

按達西定律，油井的產量Q為

借鑒分層注水配水水嘴計算嘴損的方法，高滲層分層采油控制器上的油嘴前后的嘴損方程為

由式（2）可以得到高滲層的產量公式

將式（3）代入式（4）可得

將式（4）展開解一元二次方程得

同樣，可以得到

式中，Q1為第1層油層產液量，m3/d；Q2為層產液量，m3/d；Q為2個油層總產液量，m3/d；k0為油層有效滲透率，mD；k1為高滲油層滲透率，mD；k2為低滲油層滲透率，mD；h為油層有效厚度，m；h1為高滲油層有效厚度，m；h2為低滲油層有效厚度，m；Δp為2個油層的生產壓差，MPa；Δps為油嘴前后的壓差，MPa；μ0為地層原油黏度，mPa·s；B0為原油體積系數；re為油井泄油邊緣半徑，m；rw為井眼半徑，m；α為單位換算系數；B=0.6511d–3.778。

2 油嘴前后壓差

Pressure difference before and after the choke

某一固定直徑的油嘴其阻力系數為定值［14］，但是，不同產液量時油嘴的過流面積是變化的，其摩阻因數也是變化的，因此，油嘴的壓差可表示為

式中，ρ為原油的相對密度，kg/m3；d為油嘴的直徑，mm；（fd）為油嘴流量系數。

3 油層之間的生產壓差

Production pressure difference between oil layers

潘鐘祥的油氣“新生古儲”、“上生下儲”、“油氣倒灌”論點逐漸被石油地質界接受后，普遍認為油井各產油層滲透率、非均質性不同，層間壓力差異較大，可能出現地層能量虧空，發生“倒灌”現象［15］。根據地質方案設計，不同油層產出特定的液量。為實現分層產出液的控制，通過井下油嘴直徑的大小，控制2個油層的合理生產壓差，得到高滲層、低滲層的能量守恒方程（9）、（10），這樣才能最大程度發揮各層產能［16］，提高單井產量。

兩式相減得到油嘴直徑與各油層產出液量和2個油層的生產壓差之間的關系。

式中，p0為井口回壓，MPa；L為井口距離高滲油層的距離，m；H為兩油層之間的垂深，m；λ為兩油層間原油在油管內流動的摩阻因數，因油管內壁光滑，當雷諾數Re≥2 000時，λ=6.6874；D為油管內徑，m。

4 油嘴直徑

Choke diameter

依據油田地質開發方案，確定油井不同油層產液量，即Q1、Q2為已知，通過計算機編程或人工求解方程（1）～（11）得到 Δp、Δps、（fd）、d等4個參數。

5 現場應用

Field application

根據地質開發方案，在12口油井現場應用后，油井單井平均日增油3.6 t，含水平均下降22.1百分點。

典型井例：ACX32-E井，2010年新井投產時，射孔打開了4個油層，生產至2013年10月含水上升至89%，日產液32 m3，日產油3.5 m3。為增加單井原油產量，2013年11月補孔打開3個油層，生產3個月后，油井產液量、含水基本保持不變，產液剖面表明，補孔打開的3個油層沒有發揮作用。

2014年3月確定將4個油層和3個油層分成兩套油層進行分層采油，地質方案要求Q1達到10 m3/d（4個油層）；Q2達到15 m3/d（3個油層）。根據方程（1）～（11）計算出油嘴直徑為2.63 mm，分采時應用的油嘴直徑2.5 mm。ACX32-E井分層采油實施后，日產液26.5 m3，含水64.5%，日產油9.4 m3，含水下降24.5百分點。

6 結論

Conclusions

（1）平面上呈窄條狀分布、縱向上存在多套含油層系的油藏存在滲透率、有效厚度、產液量的差異，油層之間相互干擾；為減少層間干擾，應用達西定律和流體力學原理確定的井下油嘴直徑進行分層采油成為有效的措施之一。

（2）現場試驗表明，應用井下油嘴進行分層采油能夠有效消除層間矛盾，釋放被抑制產層潛能，達到控水穩油，提高單井產量的目的。

（3）井下油嘴目前只適用于2套層系的分層采油，三層或多套層系的適應性有待繼續探索。

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（修改稿收到日期 2017-08-20）

〔編輯 朱 偉〕

A design method for choke diameter of separate layer production

FU Yarong1, LI Yangmin1, MA Yongzhong1, XIA Jian2, Yang Zhongfeng1, WANG Da1

1. No.5Oil Production Plant,PetroChina Huabei Oil field Company,Xinji052360,Hebei,China;
2. Development Department,PetroChina Huabei Oil field Company,Renqiu062552,Hebei,China

To control effectively the liquid production rate of each oil layer in two oil bearing series with different reservoir physical properties, so as to inhibit high-water-cut oil layers and release low-water-cut oil layers, the technical idea of controlling the liquid production rate of each layer by means of the bottom hole choke was proposed referring to the design methods and working principles of downhole throttle of gas well and separate layer water injection choke of water injection well. Then, a mathematic model was established based on the differences of different oil layers in terms of permeability, effective thickness and reservoir pressure. Firstly, the liquid production rate of each oil layer is calculated according to Darcy’s Law. Secondly, the pressure difference before and after the bottom hole choke is calculated based on the open area of bottom hole choke at different liquid production rates. And thirdly, the equation of conservation of energy suitable for high- and low-permeability layers is established by controlling the production pressure difference between two oil layers rationally, so as to optimize the diameter of bottom hole choke used for separate layer production. This method is applied on site in 12 separate layer oil producers. And average oil increment of each well is 3.6 t and average water cut declines by 22.1%. It provides the new technology for separate layer production.

separate layer production; bottom hole choke; parameter design

∶

付亞榮，李仰民，馬永忠，夏健，楊中峰，王達.分層采油井下油嘴直徑的設計方法［J］.石油鉆采工藝，2017，39（5）：600-603.

TE355.5

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0600 – 04 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.013

中國石油股份有限公司重大專項“分層采油工藝試驗與應用”（編號：2015E-05-08）。

中國發明專利：一種分層采油井下油嘴直徑的確定方法，201510507618.1。

付亞榮（1965-），高級工程師，主要從事油氣田開發技術研究與應用工作。通訊地址：（052360）河北省辛集市華北油田第五采油廠。電話：0317-2742299。E-mail：cy5_fyr@petrochina.com.cn

: FU Yarong, LI Yangmin, MA Yongzhong, XIA Jian, Yang Zhongfeng, WANG Da. A design method for choke diameter of separate layer production［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 600-603.